來源：物理學(xué)報(bào)
摘要：空間技術(shù)等高新領(lǐng)域?qū)χ悄芨咝У臒峥刂萍夹g(shù)的需求日益提高, 而實(shí)現(xiàn)智能熱控制技術(shù)的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)材料的熱物性智能調(diào)控, 于是熱導(dǎo)率可響應(yīng)外場變化的熱智能材料成為了研究的焦點(diǎn). 本文梳理了熱智能材料的最新研究進(jìn)展, 從調(diào)控機(jī)理、調(diào)控幅度、應(yīng)用價(jià)值等角度出發(fā), 介紹了納米顆粒懸浮液、相變材料、軟物質(zhì)材料、受電化學(xué)調(diào)控的層狀材料和受特定外場調(diào)控的材料等不同種類熱智能材料的研究現(xiàn)狀, 以及以熱智能材料為基礎(chǔ)的智能熱控部件在空間技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用. 最后, 本文對熱智能材料未來的研究方向進(jìn)行了探討.
關(guān)鍵詞：熱智能材料, 熱導(dǎo)率, 空間熱控, 智能調(diào)控
近年來, 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展, 航天航空、電子通訊、能源動(dòng)力等領(lǐng)域?qū)峥丶夹g(shù)的要求日益提高. 國內(nèi)外航天科技發(fā)展很快, 外太空存在極端的高低溫、劇烈的溫度波動(dòng)等惡劣熱環(huán)境, 這對航天器的熱控技術(shù)提出了很高要求. 具體來講, 外空間探測載荷的增加, 要求熱控部件的質(zhì)量盡量降低; 衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命延長, 要求熱控部件的能耗減小; 軌道類型差異大, 載荷設(shè)備精密度提高,工作模式復(fù)雜, 要求熱控系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的空間外熱流變化, 對精度和響應(yīng)速度的要求提高. 目前主流的熱控技術(shù)分為被動(dòng)熱控技術(shù)和主動(dòng)熱控技術(shù). 被動(dòng)熱控技術(shù)發(fā)展較為成熟, 通常使用熱控涂層、多層絕熱部件和其他熱控材料, 通過優(yōu)化系統(tǒng)器件的布局和結(jié)構(gòu)來改變、優(yōu)化工作系統(tǒng)與環(huán)境間的熱量交換. 但是, 被動(dòng)熱控制技術(shù)是一種開環(huán)控制技術(shù), 在控制過程中控制系統(tǒng)得不到被控對象的溫度反饋, 無法實(shí)時(shí)響應(yīng)環(huán)境的溫度變化, 可控性較低. 現(xiàn)有的主動(dòng)熱控制技術(shù)包括電加熱器、百葉窗等, 多為單一的加熱或者散熱技術(shù), 很難滿足一些復(fù)雜的傳熱要求, 且能耗較高, 在壽命和響應(yīng)性方面仍然存在較大不足. 在空間技術(shù)領(lǐng)域, 對于溫度敏感且環(huán)境溫度波動(dòng)大的載荷, 以及發(fā)熱量較大且工作溫度范圍要求嚴(yán)格的設(shè)備, 如通信終端、蓄電池等, 亟需更先進(jìn)的熱管理技術(shù)來滿足其溫度控制需求. 因此, 對能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外界環(huán)境變化、自主調(diào)節(jié)熱流的智能熱控技術(shù)的需求非常緊迫, 而實(shí)現(xiàn)智能熱控制技術(shù)的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)材料的熱物性智能調(diào)控.
對于熱學(xué)性質(zhì)的調(diào)控, 智能材料熱導(dǎo)率的主動(dòng)和可逆調(diào)節(jié)是關(guān)鍵. 其熱導(dǎo)率 (k) 需要能根據(jù)外部刺激做出響應(yīng), 在開 (高)/關(guān) (低) 狀態(tài)之間切換,或連續(xù)改變熱導(dǎo)率的大小 (圖 1). 衡量熱智能材料最關(guān)鍵的指標(biāo), 是其響應(yīng)前后熱導(dǎo)率的最大變化幅度 (r):r = kon/koff. 近些年, 已有不少研究者研發(fā)了不同的材料, 通過不同的操縱機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對材料熱導(dǎo)率的可逆調(diào)節(jié). 本文將在后面介紹不同類型熱智能材料的響應(yīng)機(jī)理、調(diào)控幅度以及優(yōu)缺點(diǎn), 并將不同響應(yīng)機(jī)理總結(jié)在圖 2 中; 之后, 總結(jié)熱智能材料的應(yīng)用, 并對熱智能材料的現(xiàn)存問題以及未來發(fā)展方向進(jìn)行分析與探討.
圖 1 開關(guān)式及連續(xù)調(diào)節(jié)式熱智能材料示意圖
納米顆粒懸浮液: 低維納米顆粒擁有卓越的導(dǎo)熱性能, 如碳納米管、石墨烯的熱導(dǎo)率超過了 1000 W/m·K. 研究者將高導(dǎo)熱納米顆粒添加到傳統(tǒng)換熱工質(zhì) (如水、有機(jī)溶劑等) 中制備得到納米顆粒懸浮液, 希望提高其導(dǎo)熱性能. 但大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 單純的添加納米顆粒對流體基質(zhì)的熱導(dǎo)率提升幅度有限, 原因之一是低維納米顆粒的性能具有各向異性, 其高導(dǎo)熱性能需沿某一方向定向排列才能得到體現(xiàn), 而納米顆粒與流體基質(zhì)間的界面熱阻限制了系統(tǒng)熱導(dǎo)率的提升. 無外場時(shí), 納米顆粒在流體中做布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng), 隨機(jī)分散在基質(zhì)中. 布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)是顆粒在液體中的擴(kuò)散行為, 包括平動(dòng)擴(kuò)散與旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散, 納米顆粒的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散與其定向行為直接相關(guān).
本研究小組發(fā)展了計(jì)算納米顆粒的擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散張量的方法, 驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)與顆粒定向性之間的關(guān)系, 模擬證明了電場下低維納米顆粒會(huì)在溶液中轉(zhuǎn)動(dòng)并首尾相接形成鏈狀結(jié)構(gòu), 形成有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) (圖 2(a)). 此時(shí),熱量的傳輸主要通過顆粒形成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行, 熱導(dǎo)率得到有效提升, 達(dá)到“熱滲流”的效果. 在電場作用下, 低維納米顆粒極化形成偶極子, 兩個(gè)極化后的低維納米顆粒受到庫侖力作用而相互吸引, 形成鏈狀結(jié)構(gòu).
在此基礎(chǔ)上, 本研究小組利用石墨烯片狀納米顆粒作為懸浮顆粒, 利用電場作為外場調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)了 r=1.4 的調(diào)節(jié)幅度, 其響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí). Philip 等利用 Fe3O4 鐵磁性納米顆粒作為懸浮顆粒, 磁場作為外場, 進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究, 他們發(fā)現(xiàn), Fe3O4 鐵磁顆粒-煤油系統(tǒng)在 B=101 G 時(shí), 調(diào)節(jié)幅度最高可達(dá)到 r=2.16, 并根據(jù)顆粒的擴(kuò)散弛豫時(shí)間計(jì)算系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為微秒量級(jí). 同時(shí), 也有研究者利用高熱導(dǎo)率的碳納米顆粒, 如石墨烯等來替代鐵磁性顆粒. Sun 等利用石墨烯納米片作為懸浮顆粒, 磁場作為外場, 在 B = 425 G 實(shí)現(xiàn)了 r=3.25 的調(diào)節(jié)幅度.使用納米顆粒懸浮液作為熱智能材料, 響應(yīng)速度快, 在毫秒量級(jí), 能耗小, 并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率的變化.
圖 2 不同熱智能材料響應(yīng)機(jī)理示意圖 (a) 納米顆粒懸浮液; (b) 相變材料; (c) 層狀材料; (d) 軟物質(zhì)材料; (e) 受電磁場調(diào)控的材料
相變材料: 相變材料在相變溫度處會(huì)發(fā)生相態(tài)變化, 使得自身的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變, 如圖 2(b) 所示, 熱導(dǎo)率也發(fā)生改變. 當(dāng)溫度回到原區(qū)間時(shí), 其結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率也會(huì)恢復(fù)原樣, 從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)型熱調(diào)控的效果. 按照相變形式, 相變材料可分為固-液、固-固、固-氣、液-氣四類. 由于固-氣和液-氣相變材料相變前后體積差異較大, 所以廣泛研究與應(yīng)用的主要是固-固與固-液兩類相變材料. 固-固相變材料包含多種類型, 如金屬-絕緣相變材料、相變存儲(chǔ)材料、磁結(jié)構(gòu)相變材料等, 由于轉(zhuǎn)換前后均為固相, 材料性質(zhì)穩(wěn)定, 所以具有廣泛的應(yīng)用前景.
金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變會(huì)大幅度地改變材料的電導(dǎo)率,如 VO2 在相變點(diǎn) T=340 K 附近電導(dǎo)率的變化可達(dá)到 105 量級(jí). 考慮 Wiedemann-Franz (WF) 定律,研究者希望 VO2 的熱導(dǎo)率也能在相變點(diǎn)處發(fā)生較大變化. 盡管 VO2 體材料在相變點(diǎn)處熱導(dǎo)率幾乎沒有變化, 但 Kizuka 等研究發(fā)現(xiàn), 多晶 VO2 納米薄膜在相變點(diǎn)處面向熱導(dǎo)率的變化幅度可達(dá)到 r=1.6. 此外, Lee 等發(fā)現(xiàn), 在 VO2 薄膜中摻雜少量的鎢, 熱導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn) r=1.5 的調(diào)控幅度.
相變存儲(chǔ)材料主要由硫?qū)倩镏苽? 多為 GeSbTe(GST) 系合金, 可以在室溫臨界點(diǎn)下在不同相態(tài)間切換. 低溫下, GST 為無定型相, 聲子振動(dòng)模態(tài)間的耦合為熱傳導(dǎo)做出了絕大部分貢獻(xiàn), 熱導(dǎo)率低; 隨溫度升高, GST 發(fā)生相轉(zhuǎn)變, 變?yōu)榱较? 電子對導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)增加, 熱導(dǎo)率也得到提高,由此可以實(shí)現(xiàn) r = 2 的調(diào)控幅度. 此外, 還有一些其它固-固相變材料, 如 Huesler 合金, 作為磁結(jié)構(gòu)相變材料, 在 T = 300 K 時(shí)可實(shí)現(xiàn) r = 1.6 的調(diào)控幅度. 固-液相變材料以液態(tài)基質(zhì)中摻雜高導(dǎo)熱固體顆粒的復(fù)合材料為主, 當(dāng)液態(tài)基質(zhì)在相變點(diǎn)凝固為針狀晶體后, 內(nèi)含的固體顆粒會(huì)沿晶界排列, 搭接形成有效的導(dǎo)熱通路, 在低溫下提升系統(tǒng)的熱導(dǎo)率. Zheng 等最早選用石墨烯-十六烷復(fù)合材料, 在 T = 291 K 下, 實(shí)現(xiàn)了 r = 3.2 的調(diào)控幅度, 且調(diào)控范圍經(jīng)多次循環(huán)后沒有明顯變化. 后續(xù)研究結(jié)果表明, 將石墨烯片更換為其它低維碳材料, 基本都能取得類似的調(diào)節(jié)效果. 相變材料的響應(yīng)速度與系統(tǒng)和環(huán)境的溫差有關(guān), 可通過調(diào)整外界制熱/制冷功率來調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的快慢.
原子插層 (電化學(xué)調(diào)控): 對于具有層狀結(jié)構(gòu)的材料, 在其原子面之間插入新原子, 會(huì)改變材料的微觀結(jié)構(gòu), 進(jìn)而改變其熱學(xué)性質(zhì). 通常將原子插入層狀材料的有序晶格中會(huì)導(dǎo)致其晶格產(chǎn)生缺陷, 如圖 2(c) 所示, 使得聲子散射增強(qiáng), 材料熱導(dǎo)率降低, 如鋰離子的插入會(huì)導(dǎo)致石墨和 MoS2 薄膜熱導(dǎo)率的降低. 除利用靜態(tài)插層技術(shù)改變材料熱導(dǎo)率外, 目前通過電化學(xué)驅(qū)動(dòng), 使原子動(dòng)態(tài)進(jìn)出晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)也得到了發(fā)展, 使層狀材料的熱導(dǎo)率可以進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換, 從而實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)節(jié)的效果.
Cho 等發(fā)現(xiàn), 對于電化學(xué)電池中的 LiCoO2 薄膜電極, 在充放電循環(huán)中, LiCoO2 進(jìn)行了鋰化與去鋰化過程, 在 Li1.0CoO2 與 Li1.0CoO2間轉(zhuǎn)化, 熱導(dǎo)率發(fā)生可逆變化, 調(diào)節(jié)幅度可達(dá)到 r=1.46, 但系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間緩慢, 一次充放電循環(huán)長達(dá)數(shù)小時(shí). 類似地, 對于二維材料黑磷, 鋰離子的濃度也會(huì)在充放電過程中發(fā)生變化, 導(dǎo)致其面向熱導(dǎo)率發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變, 調(diào)節(jié)幅度達(dá)到 r=1.6. Lu 等利用 SCO材料, 通過改變其兩端的電極方向使 SCO 材料發(fā)生氫化或氧化, 在 BM-SCO(鈣鈦礦相), P-SCO(閃鋅礦相) 和 H-SCO (高摻雜鈣鈦礦相) 三種不同的相態(tài)間轉(zhuǎn)變, 從而實(shí)現(xiàn)了最高 r=10 的調(diào)控幅度, 但其調(diào)節(jié)過程仍需要數(shù)十分鐘來完成. 使用電化學(xué)手段調(diào)控材料的熱導(dǎo)率, 最大的問題在于其響應(yīng)時(shí)間, 由于離子出入晶體的過程相對緩慢, 其調(diào)節(jié)過程可能長達(dá)幾分鐘甚至幾小時(shí).
軟物質(zhì)材料: 軟物質(zhì)材料的物態(tài)介于固態(tài)和流體之間, 液晶、橡膠等材料均為軟物質(zhì)材料. 軟物質(zhì)材料可在外界微小的作用下, 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)或性能上的顯著變化, 如聚合物基團(tuán)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變等 (圖 2(d)).這種外界作用可以是力、熱、光、電磁及化學(xué)擾動(dòng)等. 此特性使軟物質(zhì)材料具有成為熱智能材料的潛力. Shin 等發(fā)現(xiàn), 光敏型偶氮苯聚合物在可見光和紫外光的照射激發(fā)下, 偶氮苯基團(tuán)的構(gòu)象會(huì)在順式和反式之間變化, π_π 堆積幾何結(jié)構(gòu)改變, 熱導(dǎo)率也產(chǎn)生較大變化, 可實(shí)現(xiàn) r = 2.7 的調(diào)控幅度, 響應(yīng)時(shí)間在十秒量級(jí). Li 等以熱敏型聚合物聚異丙基丙烯酰胺 (PNIPAM) 的稀釋水溶液作為研究體系, 發(fā)現(xiàn)在其相變點(diǎn) T=305 K 附近, PNIPAM 鏈構(gòu)象發(fā)生變化, 熱導(dǎo)率調(diào)節(jié)幅度可達(dá)到 r=1.15, 由于其為二階相變, 響應(yīng)時(shí)間快,在毫秒量級(jí). 類似地, Shrestha 等發(fā)現(xiàn), 結(jié)晶化的聚乙烯納米纖維在溫度臨界點(diǎn) T=420 K 處,部分聚合物鏈發(fā)生分段旋轉(zhuǎn), 從高度有序的全反式構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂行D(zhuǎn)無序性的高切式與反式構(gòu)象的混合, 熱導(dǎo)率發(fā)生變化, 平均調(diào)節(jié)幅度高達(dá) r=8.
Zhang 和 Luo針對聚乙烯納米纖維進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬研究, 在機(jī)理上證實(shí)了聚合物鏈的分段旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致鏈結(jié)構(gòu)的無序, 從而影響聲子沿分子鏈的傳輸, 使熱導(dǎo)率下降. Shin 等發(fā)現(xiàn)列相液晶在磁場作用下, 通過液晶單體的光聚合作用, 形成了定向的液晶網(wǎng)絡(luò), 在 B = 0.4 T 時(shí)實(shí)現(xiàn)了 r =1.4 的調(diào)控幅度, 響應(yīng)時(shí)間為數(shù)百秒. Tomko 等考慮生物大分子材料, 設(shè)計(jì)了具有串聯(lián)重復(fù)序列的蛋白質(zhì), 其鏈結(jié)構(gòu)可在水合作用下發(fā)生變化, 使熱導(dǎo)率的調(diào)控幅度達(dá)到 r = 4, 響應(yīng)時(shí)間為百秒量級(jí).Feng 等在水凝膠系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能熱開關(guān), 在室溫下調(diào)控幅度達(dá)到 r = 3.6, 并分析了含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對調(diào)控效果的影響. 軟物質(zhì)材料可針對多種外部刺激作出反應(yīng), 響應(yīng)性好, 但是自身熱導(dǎo)率偏低, 一定程度上降低了其高調(diào)控幅度的應(yīng)用價(jià)值, 其響應(yīng)時(shí)間的跨度很廣, 可從毫秒量級(jí)到數(shù)十分鐘.
受特定外場調(diào)控的材料: 部分鐵電材料可通過電場控制實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率的可逆調(diào)節(jié). 鐵電材料中鐵電疇密度會(huì)影響聲子輸運(yùn), 進(jìn)而改變材料的熱導(dǎo)率. 無外場時(shí), 大量的疇區(qū)具有不同的極化方向,施加電場后, 偶極子會(huì)沿電場方向排列, 如圖 2(e)所示, 使鐵電疇壁密度降低, 疇壁引起的聲子散射降低, 材料的熱導(dǎo)率提高. Ihlefeld 等選用多晶鋯鈦酸鉛 (PZT) 雙層薄膜作為研究系統(tǒng), 施加電場降低了薄膜中納米級(jí)鐵電疇壁的密度, 使薄膜熱導(dǎo)率提高. 外加 E=475 kV/cm 的電場, 可實(shí)現(xiàn) r=1.11 的調(diào)節(jié)幅度, 其響應(yīng)時(shí)間在亞秒量級(jí). 外加電場還會(huì)使部分鐵電材料產(chǎn)生鐵電相變, 從而改變材料的熱導(dǎo)率. Kalaidjiev 等發(fā)現(xiàn), 硫酸三甘肽在 E=4.2 kV/cm 的電場下, 熱導(dǎo)率會(huì)提高, 可實(shí)現(xiàn) r=1.2 的調(diào)控幅度. Deng 等通過電場影響有機(jī)鐵電材料聚偏氟乙烯 (PVDF) 原子結(jié)構(gòu), 從而對其熱導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)控, 調(diào)控幅度可達(dá)r=1.5. 此外, Deng 等通過模擬發(fā)現(xiàn), 通過電場調(diào)控氫鍵同樣可以實(shí)現(xiàn)對有機(jī)尼龍的熱導(dǎo)率改變, 調(diào)控幅度可達(dá) r=1.5.
對于磁場, WF 定律在磁場的存在下仍然成立, 經(jīng)典磁電阻模型預(yù)測磁場會(huì)降低金屬或半導(dǎo)體的電導(dǎo)率, 并因此降低熱導(dǎo)率, 但對于室溫下的大多數(shù)金屬而言, 這種效應(yīng)可以忽略不計(jì). 但在鉍和鉍合金中觀察到了較為明顯的磁電阻效應(yīng), 對于銻化鉍合金, 室溫下施加 B=0.75 T 的磁場, 可實(shí)現(xiàn) r=1.2 的調(diào)控幅度. 除經(jīng)典磁電阻效應(yīng)外,當(dāng)納米尺度的金屬鐵磁體被非磁金屬薄域隔開時(shí),會(huì)產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng). 當(dāng)無外場時(shí), 磁極矩?zé)o序排列, 材料電阻率較高, 施加磁場后, 磁極矩沿磁場方向排列, 材料電阻率降低, 并帶動(dòng)熱導(dǎo)率提高. Kimling 等發(fā)現(xiàn), Co/Cu 多層薄膜的法向熱導(dǎo)率在 B=0.2 T 的情況下可實(shí)現(xiàn) r=2 的調(diào)控幅度, 面向熱導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn) r=1.2 的調(diào)控幅度, 其響應(yīng)時(shí)間在微秒量級(jí).
在應(yīng)力作用下, 材料會(huì)發(fā)生構(gòu)型變化, 引發(fā)材料性質(zhì)的改變. 利用應(yīng)力來調(diào)控材料的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性能已經(jīng)比較成熟. 模擬方面,Li 等利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了應(yīng)變場對二維硅材料熱導(dǎo)率的影響, 表明當(dāng)硅納米線由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)時(shí), 其熱導(dǎo)率會(huì)不斷提高, 這是由于模態(tài)化聲子的群速度和單獨(dú)聲子支的比熱在納米線壓縮過程中均發(fā)生下降造成的. Yang 等對應(yīng)力對一維材料的熱導(dǎo)率影響進(jìn)行了系統(tǒng)性研究, 包括二硫化鉬納米管、一維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu) (碳-氮化硼納米套管)、環(huán)氧樹脂原子鏈等, 發(fā)現(xiàn)應(yīng)力可以高效調(diào)控一維材料的熱導(dǎo)率, 調(diào)控幅度最高可達(dá)到 r=30. 實(shí)驗(yàn)方面, Yu 等研發(fā)了一種液態(tài)金屬泡沫彈性體復(fù)合材料, 當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到 400% 時(shí), 可實(shí)現(xiàn) r=3.5 的調(diào)控幅度. Du 等制備了一種可壓縮的開孔石墨烯復(fù)合泡沫材料, 當(dāng)壓縮率為 80% 時(shí), 可實(shí)現(xiàn) r=8 的調(diào)控幅度, 其調(diào)控時(shí)間在十分鐘量級(jí).
目前以熱智能材料為基礎(chǔ)的智能熱控器件在空間技術(shù)等領(lǐng)域已有一定應(yīng)用. 如將熱開關(guān)器件應(yīng)用在固態(tài)制冷循環(huán)和余熱處理中, 可以減少循環(huán)過程中的能耗. 更廣泛的應(yīng)用是在熱控系統(tǒng)中維持設(shè)備工作的熱環(huán)境穩(wěn)定. Ventura 等提出了一種以納米顆粒懸浮液為基礎(chǔ)的磁驅(qū)動(dòng)熱開關(guān), 無外場時(shí), 納米顆粒懸浮液從熱源處吸收熱量,施加磁場后, 納米顆粒懸浮液將熱量從熱源傳輸?shù)缴崞鞑⑨尫? Yang 等基于聲子折疊效應(yīng), 提出了一種納米結(jié)構(gòu)熱滑動(dòng)變阻器, 通過對石墨烯進(jìn)行折疊與展開, 可以實(shí)現(xiàn)石墨烯熱導(dǎo)率的連續(xù)變化, 模擬證明其調(diào)控幅度最高可達(dá) r=3. Du等利用石墨烯復(fù)合泡沫材料, 設(shè)計(jì)了熱導(dǎo)率可隨壓力連續(xù)調(diào)節(jié)變化的變熱阻器, 能夠在環(huán)境溫度連續(xù)變化約 10 K 或發(fā)熱功率變化 2.7 倍的條件下,穩(wěn)定發(fā)熱設(shè)備的工作溫度.
本研究小組基于受電場調(diào)節(jié)的納米顆粒懸浮液熱智能材料, 設(shè)計(jì)并制備了變熱阻器, 在變熱阻器內(nèi)部填充納米顆粒懸浮液, 在其外部加載不同強(qiáng)度的電場, 使得熱阻可隨加載電場的強(qiáng)度不同而連續(xù)變化. 目前該變熱阻器已經(jīng)被應(yīng)用到衛(wèi)星蓄電池的熱管理中, 當(dāng)蓄電池單體的熱耗變化時(shí), 對應(yīng)調(diào)整電場的開關(guān)以及電場強(qiáng)度, 可使熱阻的變化與蓄電池?zé)岷淖兓?從而維持蓄電池工作溫度的穩(wěn)定. 該變熱阻器可使加熱器功率降低 15%, 溫度均勻性改進(jìn) 8%, 同時(shí)可降低散熱面積的需求, 并具有無機(jī)械部件、重量輕、耗能低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn).
熱智能材料的研究雖歷經(jīng)十?dāng)?shù)年, 但從調(diào)控機(jī)理、 材料種類、熱調(diào)控性能和工程應(yīng)用等方面來看, 目前都還處于探索起步階段. 從復(fù)合型材料、固液相變材料、軟物質(zhì)材料到純固態(tài)材料, 材料的選擇范疇不斷加大; 從電磁驅(qū)動(dòng)、相轉(zhuǎn)變到各類外場激發(fā), 調(diào)控的機(jī)理越來越豐富; 從傳統(tǒng)的熱控系統(tǒng)、非線性熱控部件到聲子計(jì)算機(jī), 應(yīng)用的前景也更加廣闊. 目前熱智能材料的熱導(dǎo)率調(diào)控幅度也逐漸提高, 已在實(shí)驗(yàn)條件下得到接近 r=10 的結(jié)果.
當(dāng)前大部分研究還處在機(jī)理探索階段, 未能進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用, 主要原因是熱智能材料還存在一些問題尚待解決. 例如, 相變材料對溫度臨界點(diǎn)的要求往往很嚴(yán)苛, 許多材料的轉(zhuǎn)變點(diǎn)遠(yuǎn)高于或低于室溫,限制了其應(yīng)用范圍; 軟物質(zhì)材料盡管對外場響應(yīng)好, 調(diào)控范圍大, 但自身基礎(chǔ)熱導(dǎo)率很低, 一定程度上降低了其高調(diào)控范圍的應(yīng)用價(jià)值; 使用電化學(xué)方法調(diào)控層狀結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)率, 響應(yīng)時(shí)間很長, 至少在分鐘量級(jí)以上, 無法適應(yīng)需要快速調(diào)節(jié)的情況.
此外, 目前研究的重點(diǎn)是材料熱導(dǎo)率的調(diào)控幅度, 但其它性能指標(biāo), 如循環(huán)性、響應(yīng)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性、與現(xiàn)有熱控系統(tǒng)的兼容性等, 在實(shí)際應(yīng)用中也都有著重要意義. 未來, 自身熱學(xué)性能優(yōu)越的熱智能材料將會(huì)得到更多研究關(guān)注, 如高性能納米材料、固-固相變材料等, 能源動(dòng)力領(lǐng)域的碳中和目標(biāo)會(huì)對熱智能材料提出很多非常迫切的需求, 而能夠在不同熱環(huán)境下均可穩(wěn)定工作的熱智能材料也是今后應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn). 熱智能材料的調(diào)控機(jī)理仍有待深入研究, 包括不同外場對材料微觀結(jié)構(gòu)的改變、微觀導(dǎo)熱機(jī)理等, 這既需要發(fā)展更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)探測技術(shù), 也需要導(dǎo)熱理論的不斷推進(jìn). 探索新型的熱智能材料, 實(shí)現(xiàn)調(diào)控幅度和其綜合性能的提升, 構(gòu)建新型熱功能器件, 仍然是今后最重要的努力方向.
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